LearnTree Faculty of Engineering at Kamphaeng Saen, KPS Faculty of Engineering at KPS
คณิตศาสตร์วิศวกรรม 1 · บทที่ 2 · ดูว่าทำไม แล้วลองเอง

Derivativeอนุพันธ์

อะไรสักอย่างกำลังเปลี่ยนเร็วแค่ไหน — ณ ขณะเดียว

แอนิเมชันโดย LearnTree ด้วย Manim (เครื่องมือเดียวกับที่ 3Blue1Brown ใช้)
▶ ความชันของเส้นโค้ง และลองหา derivative ของ x² · 3 นาทีครึ่ง
ต่อด้วยคณิตศาสตร์: ความชันของเส้นโค้ง และลองหา derivative ของ x² · 3 นาที

ความเร็ว ณ ขณะหนึ่ง: ปริศนาที่ฟังดูขัดกันเอง

หน้าปัดรถบอกว่า 60 กม./ชม. ตอนนี้ แต่ความเร็วคือระยะทางหารด้วยเวลา ซึ่งต้องมีสองจังหวะ: ไปได้ไกลแค่ไหนระหว่างตอนนั้นกับตอนนี้ ณ ขณะเดียวรถเคลื่อนที่ 0 เมตรใน 0 วินาที — ได้ 0/0 อีกแล้ว แล้วหน้าปัดกำลังบอกอะไร

รถคันหนึ่งออกตัวจากหยุดนิ่ง ผ่านไป t วินาทีวิ่งได้ s = 2t² เมตร ลองดูที่ t = 3 วินาที กับช่วงเวลาสั้น ๆ ต่อจากนั้น Δt ความเร็วเฉลี่ยในช่วงนั้นคือระยะที่ขึ้นหารด้วยระยะที่ไปบนกราฟ

เขียว: ช่วงเวลา Δt เหลือง: ระยะทางที่วิ่งได้ในช่วงนั้น Δs
บน: กราฟระยะทางของรถ s = 2t² กับความเร็วเฉลี่ยในช่วงเวลาที่เริ่มที่ t = 3 วินาที ล่าง: ค่าเฉลี่ยทุกค่าที่ผ่านมา เก็บไว้เป็นจุดลากจุดสีเขียวเข้าหาจุดสีเหลือง หรือกด บีบให้ดูจุดลงที่ 12 m/s — ความเร็ว ณ ขณะนั้น derivative ก็คือตัวเลขนี้: ค่าที่ค่าเฉลี่ยวิ่งเข้าหาเมื่อช่วงเวลาหดลง

ยิ่งบีบช่วงเวลา ความเร็วเฉลี่ยยิ่งนิ่ง: 14, 12.2, 12.02, 12.002 … มุ่งไปที่ 12 m/s นั่นคือค่าบนหน้าปัดที่ t = 3 วินาที เราไม่เคยเอา 0 หาร 0 แต่ถามว่าค่าเฉลี่ยเข้าใกล้อะไร — ลิมิต เหมือนในบทที่แล้วทุกอย่าง และตัวเลขนี้เองคือ derivative ของ s ที่ t = 3 เขียนว่า ds/dt

ในช่วง 3 ถึง 3.001 วินาที ความเร็วเฉลี่ยคือ 12.002 m/s หน้าปัดที่ 3 วินาทีพอดีแสดงเท่าไร

ซูมเข้าไป: เส้นโค้งเรียบ ๆ จะกลายเป็นเส้นตรง

คราวนี้ใช้เส้นโค้งจากชีทของวิชา f(x) = 2x² − 3x + 6 ซึ่งโค้งอยู่ทุกจุด “ความชัน” ของมันจึงฟังดูไม่มีความหมาย ลองซูมเข้าไปที่จุดหนึ่งแล้วดู: ความโค้งค่อย ๆ หายไป จนสิ่งที่เห็นคือเส้นตรง derivative ที่จุดนั้นก็คือความชันของเส้นตรงที่เห็น

เส้นโค้ง f(x) = 2x² − 3x + 6 รอบจุดหนึ่ง กับเส้นสัมผัสสีเหลืองจาง ๆกด ซูมให้ดู หรือใช้แถบเลื่อน ลากกราฟไปด้านข้างเพื่อเลือกจุดอื่นเส้นโค้งค่อย ๆ ทับเส้นสีเหลือง derivative ที่จุดหนึ่งคือความชันของเส้นนั้น — เส้นโค้งมีความชันทุกจุด เพราะถ้าดูใกล้พอ มันคือเส้นตรง

ที่ ×1000 เส้นโค้งโค้งไม่ถึงหนึ่งพิกเซลตลอดทั้งจอ เส้นตรงนั้นมีชื่อว่าเส้นสัมผัส (tangent line) ที่จุดนั้น ลองย้ายจุด ความชันจะเปลี่ยน — ชันลงทางซ้าย แบนราบแถว x = 0.75 และชันขึ้นทางขวา

จากเส้นตัดสู่เส้นสัมผัส: นิยามของ derivative

ทบทวน ความชันของเส้นตรง: ระยะขึ้นหารระยะไป

ระหว่างสองจุดบนเส้นตรง ความชันคือระยะที่ขึ้น หารด้วยระยะที่ไปทางขวา: ΔyΔx = y₂ − y₁x₂ − x₁ ผ่านจุด (1, 2) และ (3, 8): 8 − 23 − 1 = 3 แปลว่าไปทางขวา 1 ขึ้น 3 เส้นที่ลงมีความชันติดลบ เส้นแบนราบมีความชัน 0 และใน y = mx + c ตัว m คือความชัน

ความชันคืออัตรา ถ้าเส้นนั้นเป็นระยะทาง (เมตร) เทียบกับเวลา (วินาที) ความชันมีหน่วยเมตรต่อวินาที คือความเร็ว อัตราทุกแบบที่เคยใช้ — กม./ชม. บาทต่อกิโล ลิตรต่อนาที — คือความชันทั้งนั้น

เรียนเพิ่ม: OpenStax College Algebra 2e, §4.1 Linear Functions (ภาษาอังกฤษ)

จะคำนวณความชันนั้น ทำแบบที่ชีทวาดไว้: เอาจุดที่ x กับจุดที่สองถัดไปอีกนิดที่ x + h เส้นที่ผ่านทั้งสองจุด — เส้นตัด (secant) — มีความชันเป็นระยะขึ้นหารระยะไป f(x + h) − f(x)h แล้วบีบ h: จุดที่สองเลื่อนเข้ามา และเส้นตัดค่อย ๆ หมุนไปทับเส้นสัมผัส ลากบนกราฟเพื่อย้ายจุดแรก

บน: เส้นที่ผ่านสองจุดบนเส้นโค้ง x กับ x + h (เส้นตัด) ล่าง: ความชันของเส้นตัดทุกเส้นที่ผ่านมา เทียบกับ hลากจุดสีเขียวเข้าหาจุดสีเหลือง จากด้านไหนก็ได้ หรือกด บีบให้ดู ทั้งสองข้างทั้งจากทางขวาและทางซ้าย จุดลงที่ตัวเลขเดียวกัน คือ f′(x) ความชันของเส้นสัมผัส นี่คือวิธีคำนวณ derivative
ขั้นตอนเดียวกันบนเส้นโค้งจากชีท พร้อมคำบรรยาย · 42 วินาที
f′(x) = limh→0 f(x + h) − f(x)h

เขียนได้อีกแบบว่า dy/dx, y′ หรือ df/dx — ในชีทให้ไว้ครบทั้งสี่แบบ ถ้าแทน h = 0 ตรง ๆ จะได้ 0/0: จุดที่หายไปจากบทลิมิต แต่คราวนี้อยู่ที่ h = 0

ตัวอย่างในชีท ทำจากนิยาม

ทบทวน กระจาย (x + h)² — และทำไมไม่ใช่ x² + h²

(x + h)² คือสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีด้านยาว x + h ตัดตามแนว x กับ h จะได้จัตุรัสใหญ่ x² จัตุรัสเล็ก h² และแถบยาวอีกสองแถบ x·h ดังนั้น (x + h)² = x² + 2xh + h² ลืมสองแถบนี้คือพลาดที่เจอบ่อย — เช็กด้วยตัวเลข: (3 + 1)² = 16 แต่ 3² + 1² = 10

ในชีทคูณด้วย 2 ต่อ: 2(x + h)² = 2x² + 4xh + 2h² และจัตุรัสรูปนี้จะกลับมาอีกครั้งในบทนี้ — มันคือที่มาของการ differentiate x² แล้วได้ 2x

เรียนเพิ่ม: Khan Academy — การยกกำลังสองทวินามในรูป (x+a)² (ซับไทย) · OpenStax §1.4 (ภาษาอังกฤษ)

1 [2(x + h)² − 3(x + h) + 6] − (2x² − 3x + 6)h แทน x + h ลงใน f แล้วลบด้วย f(x)
2 2x² + 4xh + 2h² − 3x − 3h + 6 − 2x² + 3x − 6h กระจาย — พจน์ที่ไม่มี h หักล้างกันหมด
3 (4x + 2h − 3)hh ดึง h ออกจากเศษแล้วตัดทิ้ง — ระหว่างที่เข้าใกล้ h ไม่เคยเป็น 0
4 limh→0 (4x + 2h − 3) = 4x − 3 ตอนนี้ให้ h → 0 ได้เลย — 2h หายไปเอง

จากชีท “Math 1: อนุพันธ์1” หน้า 11 — ที่ x = 1 ความชันคือ 4(1) − 3 = 1 ตรงกับรูปเส้นตัดข้างบน

เมื่อ f′(x) = 4x − 3 เส้นสัมผัสแบนราบที่ x เท่าไร

f′ ก็เป็นฟังก์ชันตัวหนึ่ง

ทุก x มีความชันของตัวเอง ความชันทั้งหมดจึงเป็นฟังก์ชันใหม่อีกตัว คือ f′ ลองเลื่อนไปตามเส้นโค้ง: ความชันที่แต่ละจุดจะถูกวางเป็นจุดบนกราฟล่าง ช่วงที่เส้นโค้งลง จุดอยู่ใต้ศูนย์ และที่ก้นของเส้นโค้งเป็นศูนย์พอดี

ข้างบน: เส้นโค้ง ข้างล่าง: ความชันที่แต่ละ x วางเป็นจุดเลื่อนไปตามเส้นโค้ง แล้วดูจุดต่อกันเป็นกราฟใหม่ความชันรวมกันเป็นฟังก์ชันใหม่ f′(x) = 4x − 3 ตรงที่มันเป็น 0 เส้นโค้งแบนราบ — คือจุดต่ำสุด

จุดทั้งหมดเรียงเป็นเส้นตรง 4x − 3 — สูตรเดียวกับที่นิยามให้ เส้นโค้งที่มี x² ได้ derivative ที่มีแค่ x: กำลังลดลงหนึ่ง และรูปแบบนี้คือเรื่องถัดไป

ทางลัดที่มองเห็นได้: กฎยกกำลัง

หา derivative จากลิมิตทุกครั้งช้าเกินไป นี่คือเหตุผลที่ differentiate x² ได้ 2x โดยไม่ต้องกระจายพจน์: มอง x² เป็นพื้นที่ของจัตุรัสด้านยาว x แล้วเพิ่มด้านไปอีกนิด dx พื้นที่ที่งอกออกมาคือแถบบาง ๆ สองแถบ แถบละ x·dx กับมุมเล็ก ๆ อีกหนึ่งชิ้น dx²

สี่เหลี่ยมจัตุรัสด้าน x พื้นที่จึงเป็น x² กับส่วนที่เพิ่มเมื่อด้านยาวขึ้น dxลากมุม หรือกด บีบให้ดู: ได้แถบบาง ๆ สองแถบขนาด x·dx กับมุมเล็ก ๆ dx²เมื่อ dx หดลง มุมนั้นแทบไม่มีผล พื้นที่จึงเพิ่ม 2x ต่อด้านที่ยาวขึ้นหนึ่งหน่วย: derivative ของ x² คือ 2x

เอาพื้นที่ที่งอกหารด้วย dx ได้ 2x + dx เมื่อ dx เล็กลงเรื่อย ๆ มุมเล็กนั้นไม่มีผลแล้ว เหลือ 2x ลูกบาศก์ก็เหมือนกัน แต่งอกสามหน้า: differentiate x³ ได้ 3x² และโดยทั่วไป — กฎในชีทหน้า 13:

d/dx xⁿ = n·xⁿ⁻¹

ยกกำลังลงมาคูณข้างหน้า แล้วลดกำลังลงหนึ่ง derivative ของค่าคงที่โดด ๆ คือ 0 (เพราะไม่เคยเปลี่ยน) ค่าคงที่ที่คูณอยู่ติดไปด้วย และผลบวก differentiate ทีละพจน์ได้ ดังนั้น differentiate 2x² − 3x + 6 ได้ 2·2x − 3 + 0 = 4x − 3 — คำตอบเดียวกับที่นิยามใช้สี่ขั้นกว่าจะได้

หา derivative ของ x⁵ − 4x² + 7

ชีทส่วนที่เหลือเพิ่มอะไรอีก

ทั้งหมดคือแนวคิดเดียวกัน — ความชันของเส้นตรงที่เห็นเมื่อซูมเข้าไป — กับฟังก์ชันทุกแบบ ตามลำดับในชีท “Math 1: อนุพันธ์1”:

กฎลูกโซ่และกฎผลคูณมีหน้าของตัวเอง ส่วน sin, cos และ eˣ อยู่ในหน้านั้นในฐานะชิ้นส่วนที่เอามาประกอบกัน

ดูฉบับเต็ม: ต้นฉบับที่บทนี้ได้แรงบันดาลใจ

ปริศนาหน้าปัดความเร็วและจัตุรัสที่งอกขึ้น มาจากซีรีส์ Essence of Calculus ของ 3Blue1Brown (Grant Sanderson) ตอนที่ 2 และ 3 ทั้งสองตอนมีคำบรรยายภาษาไทย

วิดีโอเป็นของ 3Blue1Brown ฝังจาก YouTube — ดูทั้งซีรีส์ได้ที่ 3blue1brown.com